劉春生,　宋　楊,　陳金國(guó),　孫廣義

(1.黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 哈爾濱 150022; 2.黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院, 哈爾濱 150022)

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鎬型截齒割巖過(guò)程的溫度場(chǎng)模擬

劉春生1,宋楊1,陳金國(guó)1,孫廣義2

(1.黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 哈爾濱 150022; 2.黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院, 哈爾濱 150022)

通過(guò)截齒磨損與齒尖錐角的關(guān)系以提高其工作可靠性和壽命,利用ABAQUS軟件建立截齒割巖的三維有限元模型,對(duì)其過(guò)程進(jìn)行熱力耦合分析,探究其溫度分布和變化規(guī)律。結(jié)果表明:截齒錐角對(duì)溫度的影響不顯著,高溫區(qū)分布影響顯著。在錐角小于崩落角范圍內(nèi),隨著齒尖錐角的增大,刀尖點(diǎn)穩(wěn)定溫度略有降低,而高溫區(qū)域增多面積增大且位置下移。滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)溫度影響顯著,且隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增大刀尖點(diǎn)穩(wěn)定溫度呈增大的變化規(guī)律,截齒合金頭溫度分布與應(yīng)力分布基本一致,均呈月牙形。該研究為深入理解截齒的磨損機(jī)理提供了參考。

鎬型截齒; 溫度場(chǎng); 溫度-位移耦合

0　引　言

在巖石開(kāi)采過(guò)程中,截齒磨損是采煤效率降低的原因之一,其中截割巖石過(guò)程中產(chǎn)生的熱是截齒磨損的一個(gè)主要因素,截齒與巖石相作用時(shí)產(chǎn)生的熱量越大、溫度越高,對(duì)截齒材料的理化性質(zhì)影響越大,故容易造成截齒的磨損。研究影響截齒磨損的參數(shù),主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析方法分析截齒磨損狀態(tài)。溫度作為衡量鎬型截齒截割巖石性能的重要指標(biāo)之一,很難通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行確定,由于現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)方法較難測(cè)得某個(gè)點(diǎn)的瞬態(tài)溫度及截割區(qū)域的溫度梯度分布,需要進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)才能確定刀具的最佳參數(shù),該方法不僅費(fèi)時(shí)耗力而且容易產(chǎn)生較大誤差。雖然可通過(guò)非接觸的紅外測(cè)溫儀來(lái)測(cè)量溫度,但是限于截齒截割巖石時(shí)截齒齒尖包裹在巖石里或巖石崩落時(shí)的阻礙,測(cè)試結(jié)果往往難于保證其精度。而有限元方法可綜合考慮截齒的幾何形狀以及材料性能等因素的影響,通過(guò)設(shè)定截齒材料、幾何、截割、換熱系數(shù)等參數(shù),得到截齒的溫度場(chǎng)和截割力的分布狀況[1-3],因此,筆者采用有限元法對(duì)鎬型截齒截割巖石的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬研究,以期揭示截齒錐角和滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)溫度的影響規(guī)律。

1　摩擦傳熱原理

假設(shè)截齒溫度場(chǎng)為三維非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng),根據(jù)能量守恒定律和傅里葉傳熱定律,建立控制方程,瞬態(tài)溫度場(chǎng)Q(x,y,z)應(yīng)滿(mǎn)足[4]:

(1)

式中:ρ——密度,kg/m3;

c——比熱,J/(kg·K);

Q——材料內(nèi)熱強(qiáng)度,W/kg;

kx、ky、kz——x,y,z向的傳熱系數(shù),W/(m2·K)。

邊界條件如下。

Dirichlet條件,在S1上給定邊界溫度為固定值:

(2)

在S2上給定邊界熱流密度:

(3)

式中：nx、ny、nz——方向余弦;

在S3上給定空氣和材料間的對(duì)流換熱:

(4)

式中：Q∞——環(huán)境溫度,℃;

在溫度位移耦合分析中,η被定義為摩擦能轉(zhuǎn)化為熱能的系數(shù),它決定了摩擦滑動(dòng)作為熱量進(jìn)入巖石體時(shí)能量的比例,產(chǎn)生的熱分別傳遞到第一和第二表面,即∫1和∫2(瞬間傳入巖石中的熱取決于∫1和∫2值),截齒表面產(chǎn)生的熱通量由式(5)計(jì)算。

(5)

式中:τm——截齒表面與巖石之間的摩擦剪應(yīng)力,N/mm2;

Δs——滑動(dòng)增量;

Δt——時(shí)間增量;

λc——導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);

Δd——材料的厚度,mm;

θ1、θ2——齒體溫度,℃。

2　數(shù)值模型與參數(shù)

以MG150/345-W型采煤機(jī)鎬型截齒為原型,采用ABAQUS對(duì)截齒截割巖石過(guò)程進(jìn)行模擬分析,實(shí)體模型如圖1所示,其中圖1a、b分別為截齒、巖石的實(shí)體模型。文中主要考慮截齒的幾何形狀(截齒錐角)和滾筒旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速對(duì)溫度的影響。模擬實(shí)驗(yàn)中的巖石抗壓強(qiáng)度為30 MPa,滾筒轉(zhuǎn)速和牽引速度分別為59.8和2 m/min,截齒切向安裝角為45°,錐角分別為75°、80°和85°。滾筒轉(zhuǎn)速分別為50、60和70 r/min,錐角為80°。在ABAQUS/Part模塊中設(shè)置截齒和巖石為可變形柔性體,根據(jù)巖石應(yīng)力應(yīng)變特性及復(fù)雜的受力特點(diǎn)及具有黏彈性、剪脹性的組成結(jié)構(gòu),Property模塊中建立擴(kuò)展的線(xiàn)性德魯克-普拉格(Extended Liner Drucker-Prager)模型[5-7]來(lái)模擬巖石材料。假設(shè)巖石材料是均質(zhì)連續(xù)的且層理節(jié)理特征不明顯,同時(shí)忽略其自身的自然裂隙。Mesh模塊中采用溫度耦合單元C3D8RT劃分截齒和巖石網(wǎng)格,網(wǎng)格模型如圖2所示。Step模塊中設(shè)置溫度-位移耦合分析步進(jìn)行仿真分析,數(shù)值模型中使用的材料參數(shù)如表1所示。

圖1　鎬型截齒和巖石的實(shí)體模型

圖2　鎬型截齒截割巖石的網(wǎng)格模型

材料ρ/kg·m-3E/GPaμλc/W·(m·K)-1c/J·(kg·K)-1αV/K-1齒尖14600600.00.2275.40 2204.5×10-6齒體7800207.00.3042.70 4771.6×10-5巖石1500 1.40.304.3512601.0×10-7

3　仿真結(jié)果分析

3.1截齒錐角對(duì)溫度的影響

截割巖石0.06 s時(shí)的應(yīng)力云圖如圖3所示。截割達(dá)到穩(wěn)定情況時(shí)截齒溫度場(chǎng)分布的云圖如圖4所示。其中圖4a、b和c分別為錐角75°、80°和85°時(shí)截齒的溫度分布情況。

由圖3可知,截齒截割巖石時(shí)所受的局部應(yīng)力較大,合金頭、合金頭與齒體連接處及與齒套相接觸的齒體均有局部應(yīng)力的產(chǎn)生。截齒截割巖石時(shí)齒尖受到波動(dòng)載荷致使齒體后端彎曲,且隨著大塊巖的崩落截齒的動(dòng)態(tài)應(yīng)力不斷交替變化,使截齒的疲勞強(qiáng)度下降,因而降低了截齒的使用壽命和可靠性,與文獻(xiàn)[8]一致。

圖3　截割過(guò)程應(yīng)力云圖

圖4　不同錐角的截齒溫度場(chǎng)分布云圖

由圖4可知,截割過(guò)程中截齒合金頭溫度分布呈月牙形,與文獻(xiàn)[9]應(yīng)力分布基本一致。在實(shí)驗(yàn)研究75°～85°,且錐角小于崩落角范圍內(nèi),截割溫度隨著齒尖錐角的增大略有降低的趨勢(shì),隨著齒尖錐角的增大高溫區(qū)域增多、面積增大(通過(guò)Caxa二次開(kāi)發(fā)計(jì)算高溫區(qū)面積得75°時(shí),高溫區(qū)面積為22.98 mm2;80°時(shí),高溫區(qū)面積為23.79 mm2;85°時(shí),高溫區(qū)面積為57.73 mm2)且位置下移,圖4c中明顯可以看出,齒體部位溫度較高,說(shuō)明錐角的增加導(dǎo)致磨損帶增大。這是因?yàn)榇蟮腻F角增加了齒體與巖石相接觸的幾率,從而導(dǎo)致齒體溫度升高。截齒溫度值最高點(diǎn)位于合金頭與截齒齒體的連接處,說(shuō)明該處受應(yīng)力較大,易加劇磨損,從而使合金頭松脫,致使丟失。在截割巖石時(shí),截割溫度的升高主要是由齒巖摩擦功形成的熱及巖石的塑性變形功轉(zhuǎn)換成熱引起,截割溫度的數(shù)量級(jí)主要受齒巖界面間的摩擦影響,且摩擦熱沿著刀具前刀面不斷增加。

在后處理模塊中輸出截齒刀尖點(diǎn)的溫度變化曲線(xiàn),如圖5所示。

圖5　不同錐角截齒刀尖點(diǎn)的溫度變化曲線(xiàn)

從圖5溫度變化曲線(xiàn)可以看出,隨著時(shí)間的增大,截齒截割巖石過(guò)程中刀尖點(diǎn)溫度逐漸增大后漸趨穩(wěn)定。這是因?yàn)榻馗畛跗谀Σ辽鸁岽笥诤纳?隨著溫度的升高,對(duì)流和傳導(dǎo)散熱隨之增加,最終等同于摩擦產(chǎn)生的熱量。由于速度和機(jī)器運(yùn)行參數(shù)不變,截割一段時(shí)間后齒巖系統(tǒng)的溫度趨于穩(wěn)定。同時(shí)可以看出,截割未達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)前,錐角越大,溫度上升的梯度越大,而截割達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后,刀尖點(diǎn)穩(wěn)定溫度隨著錐角的增大略有降低。這是因?yàn)殄F角越小,刀尖相對(duì)越鋒利,越容易產(chǎn)生應(yīng)力集中,發(fā)生溫度積聚現(xiàn)象,且錐角越小刀頭散熱面積和容熱體積越小。因此,從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度,在保證截齒剛度的同時(shí)應(yīng)合理選擇截齒刀尖圓弧角度,使其與截齒錐角相匹配,以避免應(yīng)力集中。

3.2滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)溫度的影響

在后處理模塊中輸出不同滾筒轉(zhuǎn)速下截齒刀尖點(diǎn)的溫度變化曲線(xiàn),如圖6所示。

圖6　不同滾筒轉(zhuǎn)速的截齒刀尖點(diǎn)的溫度變化曲線(xiàn)

從圖6中可以看出,滾筒轉(zhuǎn)速變化為50～70 r/min時(shí),在截割的初始階段,刀尖點(diǎn)溫度迅速上升,且滾筒轉(zhuǎn)速越大溫度上升梯度越大,隨著截割的進(jìn)行,逐漸進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。刀尖點(diǎn)溫度明顯增大的原因是當(dāng)破碎巖石沿截齒前刀面崩落時(shí),摩擦熱一邊生成一邊向巖石內(nèi)部和截齒內(nèi)部傳導(dǎo)。隨著滾筒轉(zhuǎn)速的提高,摩擦熱生成的時(shí)間極短,而截割熱向巖石內(nèi)部和刀具內(nèi)部傳導(dǎo)都需要一定時(shí)間。因此,提高滾筒轉(zhuǎn)速的結(jié)果是摩擦熱大量聚積在巖石表面,從而使截割溫度升高。同時(shí),滾筒轉(zhuǎn)速的增大使巖石變形增大,截割功率增大,從而使產(chǎn)生的截割熱相應(yīng)增多。

4　結(jié)束語(yǔ)

采用彈塑性及熱力耦合的有限元方法,對(duì)鎬型截齒旋轉(zhuǎn)截割巖石過(guò)程進(jìn)行模擬,分析單截齒截割巖石過(guò)程中產(chǎn)生的熱,以及截齒錐角和滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)截齒溫度分布的影響。

在實(shí)驗(yàn)研究范圍內(nèi),截齒錐角對(duì)溫度的影響不顯著,且截割巖石過(guò)程中的截割穩(wěn)定溫度和刀尖點(diǎn)穩(wěn)定溫度隨著齒尖錐角的增大略有降低,隨著時(shí)間的增大,齒尖點(diǎn)溫度逐漸增大后漸趨穩(wěn)定。截割未達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)前,錐角越大,溫度上升的梯度越大。截齒錐角對(duì)高溫區(qū)分布影響顯著,錐角越大,高溫區(qū)越多面積越大。隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增大,齒尖點(diǎn)穩(wěn)定溫度明顯升高。截齒合金頭溫度分布與應(yīng)力分布基本一致,均呈月牙形。該研究為改善截齒設(shè)計(jì)、提高截齒使用壽命具有一定的理論意義。

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(編輯李德根)

Simulation of temperature fields on conical pick cutting rock

LIUChunsheng1,SONGYang1,CHENJinguo1,SUNGuangyi2

(1.School of Mechanical Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China; 2.School of Mining Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

Aimed at identifying the intrinsic relationships between wear of pick and pick tip cone angle, and improving work reliability and life, this paper presents a three-dimensional finite element model of the pick cutting rock, developed by using ABAQUS software and describes an analysis of the process of pick cutting rock with thermal-mechanical coupling and an exploration of the temperature distribution and the changes. The results indicate that the pick tip cone angle has little effect on the temperature, but has a significant effect on the distribution of high temperature zone. Where the cone angle is less than the caving angle, increasing pick tip cone angle leads to a slight reduction in the stable temperature of the tip point and to an increase both in high-temperature region and area, with the location moving down. Roller rotate speed has a significant impact on the temperature and the stable temperature of the tip point shows an increasingly changing law along with the roller rotate speed. The temperature distribution of pick alloy head is consistent with stress distribution, showing the crescent distribution. The research provides reference for the in-depth understanding of wear mechanism on picks.

conical pick; temperature fields; coupled temperature-displacement

2013-06-16

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51274091);黑龍江省研究生創(chuàng)新科研資金項(xiàng)目(YJSCX2012-327HLJ)

劉春生(1961-),男,山東省牟平人,教授,碩士,研究方向:機(jī)械設(shè)計(jì)和液壓傳動(dòng)與控制,E-mail:liu-chunsheng@163.com。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.04.005

TD421.6

1671-0118(2013)04-0337-04

A